Jeux vidéo, démystification, Comment sont-ils faits ?

Jeux vidéo, démystification,Comment sont-ils faits ?

Michel Buffa (buffa@unice.fr)Maître de conférence,

Université de Nice, collaborateur du W3C

Des jeux ? Oui mais lesquels ?

• Jeux 2D ? Jeux 3D ?• Jeux PC ? Jeu console ? • Jeu mobile ? Ipad ? Smartphone ?• Jeu casual ? Jeu AAA ?• Jeu Web ?• Jeu solo ? Multijoueurs ?• Jeu de stratégie, d’arcade, d’aventure, de

plateforme, de sport, FPS, TPS, STR, RPG, MMORPG, etc.

Objectif de cette présentation

• Créer un jeu simple : c’est facile !• Besoin de…. rien du tout ! • Nous allons voir les principes de base à

connaître pour écrire un jeu 2D, puis nous verrons le chemin qu’il reste pour la 3D.

• Mathématiques de base, géométrie et algorithmes sont au cœur des jeux,

• Un langage de programmation aussi.

Comment démarrer ?

• Je conseille : utiliser JavaScript + HTML5• Très nombreux tutoriaux sur le web• On a juste besoin d’un navigateur web• Marcheront sur téléphone, tablettes, etc.• Outil pour développer en ligne: jsbin.com• Autres possibilités : le langage processing (voir

processing.org, processing.js et openprocessing.org)

Comment démarrer

• N’écoutez pas vos profs, copiez et collez depuis le web allègrement, au début, vous n’êtes pas forcés de comprendre,

• Ensuite, regardez comment c’est fait…• « apprenez par l’expérience » et vous verrez

que peut-être que les cours de maths et de physique servent à quelque chose

Partie 1 : l’animation

• Un jeu est souvent animé…• Animation :1. Début de la boucle d’animation

– Effacer l’écran,– Dessiner les objets,– Déplacer les objets,– Traiter les collisions,

2. Aller à l’étape 1

Exemple en 2D, système de coordonnées

Exemple en 2D, système de coordonnées

Déplacer une balle, par incréments

Animation revue et corrigée

• On a une liste d’objets, chacun avec une position (x, y), et des incréments dx et dy.

• Entre deux images on déplace les objets en faisant – x = x + dx – y = y + dy

Imaginez que dx vaut 1 et dy vaut 1, comment se déplace l’objet ? Et si dx et dy valent 2 ? Et si on ne leur donne pas les mêmes valeurs ?

Démonstration 1

• Programme de démo ici : http://jsbin.com/ElEQUja/12/edit

Collisions avec les murs

Alors, on fait comment ?

• Démonstrations ici : http://jsbin.com/ElEQUja/14/edit

• Il suffit d’inverser dx et dy dans certains cas…• Regardons ensemble le cas de la diapositive

précédente…• Il faut inverser dx, dy,

ou les deux ?

Déplacement en suivant la souris

http://jsbin.com/ElEQUja/17/edithttp://jsbin.com/ElEQUja/40/edit

Calcul de l’angle :θ = atan2(dy, dx)

Que faire ensuite ?

Déplacement en suivant la souris

Ensuite si on connait l’angle et ladistance r de déplacement,Que valent x et y ?• Si r vaut 1, x = cos(θ)• Si r vaut 100, x = 100 * cos(θ)• Cas général : x = r * cos(θ)• De même y = r *sin(θ)• En fait, r représente la vitesse de déplacement

Revenons à nos collisions…

• Attention à la « complexité » des calculs!• Certains algorithmes demandent des

opérations proportionnelles au nombre d’objets.

• Exemple d’animations d’un grand nombre de balles : http://jsbin.com/ElEQUja/4/edit– Dans cet exemple, si on augmente à 100 le nombre

de balles, combien de test de collision on fait avec les côtés, à chaque image ?

Et les collisions entre les balles ?

• Ah, hmmm, là, il faut réfléchir un peu, vous avez des idées ?

Et les collisions entre les balles ?

• Dans quelle direction repartent les balles ?

Et les collisions entre les balles ?

• Et si j’ai 2 balles, je dois faire combien de tests ? Si j’en ai 3 ? Si j’en ai 10 ?

Et les collisions entre les balles ?

• Démonstration 1• Démonstration 2 avec quelques effets graphiq

ues

Complexité quadratique en n2 : ARGL!

• Si 2 balles, 4 tests• Si 3 balles, 9 tests• Si 100 balles, 10000 tests• Si 1000 balles, 1 million de tests!• Etc… en général on fait tout pour éviter ce

genre de cas. • Alors, comment faire ?

Collisions entre rectangles et rectangles et cercles

Rectangle-Rectangle alignés sur les axes (AABB)

• On projette les axes des rectangles. Si les deux projections se chevauchent il y a collision !

Cas des rectangles non alignés

• C’est plus compliqué, un peu comme les collisions entre sphères, il faut projeter les côtés des rectangles non pas sur les axes des X et des Y mais sur des« axes séparateurs » et il y en a 15 !

• Cliquer image pour démo !• La plupart du temps: on

reste dans le cas aligné– Shoot’em’ups, jeux de plate-

forme, etc.

Genetos : collisions entre rectangles alignés (touche G : voir les rectangles)

• Separating Axes Theorem

Dodonpachi: collisions entre rectangles alignés

• Separating Axes Theorem

Pourquoi les sphères et les rectangles ? Y’a ça dans tous les jeux ?

1. Test des collisions entre sphères2. Si les sphères s’intersectent, on teste les

rectangles alignés. Démo calcul bounding box

Hierarchies

Hierarchies

Use the hierarchy from coarse to fine resolution to exclude non intersecting

objects

Hierarchies

Hiérarchie de sphères utilisées dans“Gran Tourismo”

Hierarchies de bounding boxes : on teste d’abord la grosse boîte, puis les boîtes à l’intérieur, etc…

Hierarchies

Hiérarchie de bounding Boxes 3D

Exemple 3D : UNREAL-Engine

Ne pas tester tous les objets

• Partitionnement spatial :

Principe général

Il y a des tas d’améliorations

• Quadtrees : hiérarchie de cellules

Quadtrees et terrains / niveaux de détails, partie visible (GTA 5)

Il y a des tas d’améliorations

• Octrees : en 3D !

Animation basée sur le temps

• Dans les « vrais » jeux, on vise 30 images/s ou mieux, 60 images/s.

• Sur de gros PC, on peut même aller plus loin…• Mais les capacités graphiques et la complexité de ce

qu’on doit animer peut varier selon le matériel, la situation dans le jeu…

• Ex : un jeu sur tel android un peu ancien vs un jeu sur le dernier Nexus 5 qui vient de sortir…

• On aimerait avoir une animation « aussi rapide », même si pas aussi fluide….

Quelques règles de 4ème !

• 60 images/s = 1/60 entre chaque image = 16,6 millisecondes

• Mais dans la réalité ça peut varier… On peut avoir que 45 im/s puis 40 puis 60, puis 20 etc…

• Solution : – On mesure delta = temps écoulé en ms,– On fixe v = vitesse en pixels/s– Et on calcule dx et dy en fonction du temps écoulé– v = d / t donc d = v * t !

Exemple

Autre exemple…

• Ici : exemple plus simple :– http://jsbin.com/IMiNEjI/1/edit

• On peut aussi mesurer le temps pour régler le nombre d’images par seconde– http://jsbin.com/imisah/78/edit– http://jsbin.com/aRudADaR/1/edit

• Utile si on ne veut pas gaspiller trop de temps CPU/GPU pour animer un truc simple…

Comportements / IA ?

• On ne va pas étudier tous les cas ici (jeu d’échecs, etc.),

• On se focalise sur les « comportements réactifs » que l’on retrouve dans 90% des jeux modernes:– Suivre un chemin, avancer en formation, atteindre

un but, éviter les obstacles, suivre la piste dans un jeu de course, attaquer, fuir, se cacher, etc.

Un exemple !

Un autre exemple !

En fait ces exemples sont la somme de plusieurs comportements simples

• Se déplacer aléatoirement,• Se déplacer en groupe,• Atteindre un but,• Eviter les obstacles,• S’enfuir en cas d’attaque,• Et pour la flèche rouge : attaquer les ennemis

à proximité

Wandering : promenade aléatoire

ATTEINDRE UN BUT, similaire à la sphère qui suit la souris, (v et rot en plus)

FUIR un point : inverse du précédent

Suivre un chemin : revient à atteindre des buts les uns après les autres

Poursuivre et s’échapper

• Idem, on calcule la position du point d’interception, ou de point pour fuir.

Evitement d’obstacle (1)

Evitement d’obstacle (2)Vecteur « ahead », on regarde loin…

AHEAD = POSITION + normer(VELOCITY) * MAX_SEE_AHEAD

Evitement d’obstacle (3)MAX_SEE_AHEAD grand ou petit ?

Grande valeur = permet d’anticiper, en général dépend de la vitesse courante

Evitement d’obstacle (4)aussi un vecteur deux fois plus petit

Permettra de tester si un obstacle est entre le bout du petit et le bout du grand vecteur…

Evitement d’obstacle (5)aussi un vecteur deux fois plus petit

Si d (distance entre bout du vecteur AHEAD et centre de la sphère) est < rayon alors obstacle dangereux. En réalité on teste aussi avec le vecteur deux fois plus petit pour être sûr.

Evitement d’obstacle (6)Cas où il y a plusieurs obstacles

On ne tient compte que de l’obstacle le plus proche !

Evitement d’obstacle (7)Force de répulsion

En rouge, le vecteur représente la forcer de répulsion. On l’ajoute au vecteur AHEAD et on obtient la direction orange.

Evitement d’obstacle : démonstration

.

• Démonstration et article détaillé (en anglais) :

Déplacements en groupe (flocking)

Séparation = rester à une certaine distance des autres, revient à FUIR les véhicules les plus proches

Cohésion = rester avec les véhicules les plus proches, revient à calculer le ventre du groupe et à ATTEINDRE CE BUT

Alignement = rejoindre la vitesse et la direction moyenne des véhicules les plus proches

Path finding (recherche du chemin non optimal), le fameux algorithme A*

• Très utilisé dans les jeux de stratégie : « les soldats, allez là-bas ! »

• Long, mais est engénéral réalisé en tâche de fond, etrecalculé toutes lessecondes…

• Les autrescomportements sonttoujours actifs… cftransparents précédents…

Très utilisé dans Warcraft 3, Starcraft, Rome Total War etc.

Bon, alors ???

• But de cette présentation:– Vous montrer que les « gros jeux » ont tous ces

principes qui se programment en moins de 100 lignes dans leur cœur,

– Qu’il est possible d’apprendre toutes les bases de la programmation de jeu sans de gros moyens

– Apprendre en s’amusant !– Les maths simples font déjà beaucoup !

Quels outils ?

• HTML5 : http://www.html5canvastutorials.com/ et chercher « html5 game tutorial » etc.

• BlitzMax / Monkey : http://blitzmax.com et http://www.monkeycoder.co.nz/

• Pour ceux qui veulent tater la 3D sans se fatiguer: babylonjs.com (gratuit)

• XNA (Microsoft PC/Xbox/surface)

A* : principe

Du carré courant on va vers celui qui minimise un coût F = G + HG = 10 si mouvement horizontal ou vertical, 14 si diagonalH = nombre de carrés pour atteindre le carré rouge, sans tenir compte des obstaclesOn ne re-examine pas les carrés choisis

A* : principe

Du carré courant on va vers celui qui minimise un coût F = G + HOn a choisi le carré à droite qui a F le plus petit (40), dans les coins haut gauche des carrés, on se souvient d’où on vient (orientation au centre du carré, va vers le père)

A* : principe

On repart de là où on était et on va parmi les carrés possibles vers celui qui a le plus petit F. S’il y en a deux on en prend un au hasard.

A* : principe

En répétant l’opération, on avance et on s’arrête quand on touche le carré rouge.Au final on sera passé par beaucoup de carrés (bleu clairs)

A* : principe

On part à l’envers en remontant vers les parents directs (on suit les flèches au centre des carrés) : ça donne le chemin. DEMONSTRATION FINALE